手性光子晶体三螺旋纳米线结构的FIB层析旋转生长

线型手性螺旋超材料结构在微纳光子学中具有重要的应用，但单螺旋纳米线结构端部的非旋转对称性可导致线性双折射效应，而双螺旋纳米线结构虽然能排除斜入射光导致的相反偏振手性光的影响，但二色选择性较弱。理论计算表明，三螺旋手性圆偏超材料在可见与红外波段对圆偏振光的透射具有高带宽、高信噪比等特点，在新型纳米光子领域具有潜在的应用。但利用现有的加工技术，制备完全旋转对称的纳米尺度的多螺旋结构仍是一个难点。

最近，意大利国家纳米研究实验室的Esposito等发展了一种基于聚焦离子束化学气象沉积的三螺旋纳米线结构的层析旋转生长( tomographic rotatory growth )技术。通过3D邻近校正技术、完美拼接生长工艺以及层析旋转方法，他们制备了特征尺寸、纳米线间隔以及螺旋周期均在百纳米尺度的三螺旋旋转对称结构。其加工方法所涉及的主要步骤如图1a所示，首先在间隔为60°的圆周上设置六处起始生长种子点，然后引入气态分子源，将离子束的束斑沿圆弧扫描，获得3段间隔为120°的弧结构，接着将扫描起始点逆时针旋转60°，生长圆弧的另一段。重复这样的过程，得到Z方向上螺旋纳米线的周期性生长。图1b-1c为采用离子束流为1 pA，加速电压为30 keV，束斑位移步长为10 nm，在面积10 µmx10 µm范围内加工的Z轴方向周期为705 nm，纳米线直径为100 nm，纳米线间距为110 nm，螺旋结构总外径为375 nm的旋转对称结构。光学特性测试如图2所示，在500 nm-1000 nm波长区，圆偏二色性带宽（消光比：左旋极化(LCP)与右旋极化(RCP)透射光幅度之比大于1的光谱范围）高达37%，信噪比高达24%。模拟与实验结果（如图3所示）表明，结构的宽谱响应来源于三重纳米线间入射光产生的的表面等离激元间的相互作用，其强度与线间距及SPP电磁场径向渗透深度1/kρ 相关。这些实验结果为手性超材料在光纳米集成电路中实现可见光的极化特性调制提供了极为有效的制备方法与思路。相关成果发表在近期Nature Communications | 6:6484 (2015)上。

图1：手性光子晶体三螺旋纳米线结构的FIB层析旋转生长过程示意图及其SEM照片。

图2：三螺旋纳米线旋转对称结构的二色选择性：a 带宽，b 消光比。

图3：三螺旋纳米线旋转对称结构的圆偏二色性及信噪比的模拟与计算结果。